自由电子激光新突破：二极磁铁中的激光束相互作用

江苏激光联盟导读：

上海光源中心实验完成了探索自由电子激光物理本质的一项重要实验测量，揭示了自由电子激光最基本的物理过程，为研究和利用激光与电子束的相互作用开辟了新的方向。实验结果证明一块简单的二极磁铁可以作为引入电子束能量调制的有效工具，为开发新型的激光加热系统、适用于等离子体尾波场加速器束流的能量调制、以及未来相干光源的新型波荡器开辟了新的道路。

▲艺术图——二极磁铁中激光脉冲和相对论电子束的相互作用。来源：eurekalert自由电子激光器（Free electron lasers-FELs）在超快时间尺度上产生具有极亮的短波长辐射。在过去的三十年中发展起来的FELs为物理、生物、化学和其他领域提供了重要的研究工具。与其他同步加速器光源不同，自由电子激光脉冲的放大来自电磁波和相对论电子束在二极磁铁的周期晶格中的强而连续的相互作用，其中波荡器是一种由成千上万的二极磁场组合成周期性正弦磁场的发光元件。 现代x射线FELs (XFELs)的波动器利用了正反馈机制（这个正反馈机制是目前所有自由电子激光的物理基础），这是一项革命性的发展，有助于纳米尺度世界的研究。虽然XFELs在继续发展，但FEL激光最基本的过程之一——波荡器周期内的能量交换，直到最近才被直接测量。中国科学院上海高级研究院和上海应用物理研究所的研究人员通过评估紫外激光和相对论电子束在纯二极磁体中的相互作用，为更深入地理解自由电子激光物理做出了贡献。《Advanced Photonics》对此进行了报道，基于上海软X射线自由电子激光装置，在单块二极磁铁中，一束266纳米波长的激光被用于调制800兆电子伏特能量的电子束，下游的X波段横向偏转腔直接观察到了激光对电子束相空间的调制，精确测量表明电子束能量调制的幅度为40千电子伏特。此外，实验还进一步证明，二极磁铁中获得的能量调制能够用于驱动外种子型自由电子激光，研究人员利用二极磁铁中的能量调制、结合原创的能量调制的自放大机制（Phys. Rev. Lett., 126，084801），使用峰值功率为数百吉瓦（gigawatt，1吉瓦=10瓦）的种子型激光器，表明种子型FELs可以直接获得百万电子伏特量级的能量调制幅度，成功实现了种子激光的6次谐波，即44纳米自由电子激光放大出光。结果表明，短二极磁体可以作为引入相对论电子束能量调制的有效工具，通过在路径中引入精确弯曲来有效定制自由电子激光脉冲特性。

▲实验的示意图。一个800兆电子伏的电子束被发送到第一个弯道（chicane），并与第一个二极磁体中的266纳米种子激光器相互作用。能量调制和密度调制在第一个弯道同时进行。在调制器中，电子束用于产生基本波长的相干辐射，这也增强了能量调制。辐射器用于产生种子激光器六次谐波的自由电子激光脉冲。来源：上海高级研究院

根据第一作者颜佳伟的说法，“这项工作完成了自由电子激光物理最终不可或缺的实验测量，揭示了自由电子激光最基本的过程，并为激光束相互作用的研究和开发开辟了新的方向。”根据这些结果，颜预测了这可用于高亮度xfel的紧凑型激光加热器系统、用于基于等离子体加速器的xfel的稳定能量调制器、甚至用于未来相干光源的新型辐射器的发展。

来源：'First observation of laser-beam interaction in a dipole magnet,' Adv. Photon. 3(4), 045003 (2021), doi 10.1117/1.AP.3.4.045003；上海高等研究院